Mikä on valodiodi: Toiminta ja sen sovellukset

Kokeile Instrumenttia Ongelmien Poistamiseksi





Valoa lähettävä diodi on kaksijohtava puolijohde valonlähde. Vuonna 1962 Nick Holonyak on keksinyt ajatuksen valodiodista, ja hän työskenteli yleisessä sähköyhtiössä. LED on erityinen diodityyppi, ja niillä on samanlaiset sähköiset ominaisuudet kuin PN-liitosdiodilla. Täten LED sallii virran kulkemisen eteenpäin ja estää virran vastakkaiseen suuntaan. LED vie pienen alueen, joka on pienempi kuin 1 mmkaksi . LEDien sovellukset käytetään tekemään erilaisia ​​sähköisiä ja elektronisia projekteja. Tässä artikkelissa keskustellaan ledin toimintaperiaatteesta ja sen sovelluksista.

Mikä on valodiodi?

Valodiodi on a p-n-liitosdiodi . Se on erityisesti seostettu diodi ja koostuu erityyppisistä puolijohteista. Kun valo säteilee eteenpäin esijännitettynä, sitä kutsutaan valoa emittoivaksi diodiksi.




Valodiodi

Valodiodi

LED-symboli



LED-symboli on samanlainen kuin diodisymboli lukuun ottamatta kahta pientä nuolta, jotka määrittelevät valon emission, joten sitä kutsutaan LEDiksi (valodiodiksi). LED sisältää kaksi liitintä, nimittäin anodin (+) ja katodin (-). LED-symboli näkyy alla.

LED-symboli

LED-symboli

LED-rakentaminen

LEDin rakentaminen on hyvin yksinkertaista, koska se on suunniteltu sijoittamalla kolme puolijohdemateriaalikerrosta alustan päälle. Nämä kolme kerrosta on järjestetty yksi kerrallaan siten, että ylempi alue on P-tyypin alue, keskialue on aktiivinen ja lopuksi alaosa on N-tyyppinen. Puolijohdemateriaalin kolme aluetta voidaan havaita rakenteessa. Rakenteessa P-tyypin alue sisältää reiät, N-tyypin alue sisältää vaalit, kun taas aktiivinen alue sisältää sekä reikiä että elektroneja.

Kun jännitettä ei ole kytketty lediin, elektronien ja reikien virtausta ei ole, joten ne ovat vakaita. Kun jännite on kytketty, LED palaa eteenpäin esijännitettynä, joten N-alueen elektronit ja P-alueen reiät siirtyvät aktiiviselle alueelle. Tämä alue tunnetaan myös ehtymisalueena. Koska varauksen kantajien kaltaiset reiät sisältävät positiivisen varauksen, kun taas elektroneilla on negatiivinen varaus, joten valo voidaan tuottaa polaarisuusvarausten rekombinaation kautta.


Kuinka valodiodi toimii?

Valoa lähettävä diodi tunnetaan yksinkertaisesti diodina. Kun diodi on eteenpäin esijännitettynä, elektronit ja reiät liikkuvat nopeasti risteyksen poikki ja ne yhdistyvät jatkuvasti poistamalla toisiaan. Pian elektronien siirtyessä n-tyypistä p-tyyppiseen piiin se yhdistyy reikiin ja katoaa sitten. Siksi se tekee täydestä atomista ja vakaammaksi ja antaa pienen energiapurkauksen pienen valopaketin tai -fotonin muodossa.

Valoa lähettävän diodin toiminta

Valoa lähettävän diodin toiminta

Yllä oleva kaavio osoittaa, kuinka valodiodi toimii, ja kaavion vaihe vaiheelta.

  • Yllä olevasta kaaviosta voimme havaita, että N-tyypin pii on punaisen värinen, mukaan lukien elektronit, jotka on merkitty mustilla ympyröillä.
  • P-tyypin pii on sinistä ja siinä on reikiä, jotka on merkitty valkoisilla ympyröillä.
  • Virtalähde p-n-liitoksen poikki tekee diodista eteenpäin esijännitetyn ja työntää elektroneja n-tyypistä p-tyyppiin. Työnnä reikiä vastakkaiseen suuntaan.
  • Risteyksessä oleva elektroni ja reiät yhdistetään.
  • Fotonit vapautuvat, kun elektronit ja reiät yhdistyvät.

Valodiodin historia

LEDit keksittiin vuonna 1927, mutta ei uutta keksintöä. Lyhyt katsaus LED-historiaan käsitellään alla.

  • Vuonna 1927 Oleg Losev (venäläinen keksijä) luotiin ensimmäinen LED ja julkaisi teorian tutkimuksestaan.
  • Vuonna 1952 professori Kurt Lechovec on testannut häviäjien teorioiden teorioita ja selittänyt ensimmäisistä LEDeistä
  • Vuonna 1958 ensimmäisen vihreän ledin keksivät Rubin Braunstein ja Egon Loebner
  • Vuonna 1962 Nick Holonyak kehitti punaisen ledin. Joten ensimmäinen LED on luotu.
  • Vuonna 1964 IBM toi LED-valot piirilevylle ensimmäistä kertaa tietokoneeseen.
  • Vuonna 1968 HP (Hewlett Packard) aloitti ledien käytön laskimissa.
  • Vuonna 1971 Jacques Pankove ja Edward Miller keksittiin sininen LED
  • Vuonna 1972 M.George Crawford (sähköinsinööri) keksi keltaisen LEDin.
  • Vuonna 1986 Walden C.Rhines ja Herbert Maruska Staffordin yliopistosta keksivät sinisen LED-valon, jossa on magnesiumia, mukaan lukien tulevat standardit.
  • Vuonna 1993 Hiroshi Amano & Physicists Isamu Akaski on kehittänyt galliumnitridin korkealaatuisilla sinisillä LEDeillä.
  • Shuji Nakamuran kaltaiselle sähköinsinöörille kehitettiin Amanos & Akaski -kehityksen kautta ensimmäinen erittäin kirkkaan sininen LED, joka johtaa nopeasti valkoisten LED-valojen laajentumiseen.
    Vuonna 2002 asuntotarkoituksiin käytettiin valkoisia LED-merkkivaloja, jotka lataavat noin 80–100 puntaa kutakin polttimoa kohden.
  • Vuonna 2008 LED-valoista on tullut erittäin suosittuja toimistoissa, sairaaloissa ja kouluissa.
  • Vuonna 2019 ledeistä on tullut tärkeimmät valonlähteet
  • LED-kehitys on uskomatonta, koska se vaihtelee pienistä indikaatioista toimistojen, kotien, koulujen, sairaalojen jne. Valaistukseen.

Valoa lähettävä diodipiiri esijännitystä varten

Suurimmalla osalla ledeistä on jänniteluokit 1 - 3 volttia, kun taas myötävirran nimellisarvo on 200 - 100 mA.

LED-esijännitys

LED-esijännitys

Jos jännite (1 V - 3 V) kohdistetaan LED: ään, se toimii oikein johtuen virran virtauksesta käytetylle jännitteelle on toiminta-alueella. Vastaavasti, jos LEDiin kohdistettu jännite on korkea kuin käyttöjännite, valoa diodissa oleva tyhjennysalue hajoaa suuren virtavirran vuoksi. Tämä odottamaton suuri virtavirta vahingoittaa laitetta.

Tämä voidaan välttää kytkemällä vastus sarjaan jännitelähteen ja LEDin kanssa. LEDien turvalliset jännitearvot vaihtelevat välillä 1 V - 3 V, kun taas turvalliset virran nimellisarvot ovat 200 - 100 mA.

Tässä vastus, joka on järjestetty jännitelähteen ja LED: n väliin, tunnetaan virtaa rajoittavana vastuksena, koska tämä vastus rajoittaa virran virtausta, muuten LED voi tuhota sen. Joten tällä vastuksella on keskeinen rooli LEDin suojaamisessa.

Matemaattisesti virran virtaus LEDin läpi voidaan kirjoittaa seuraavasti

JOS = Vs - VD / Rs

Missä,

”IF” on termiinivirta

”Vs” on jännitelähde

”VD” on jännitteen pudotus valodiodin poikki

Rs on virtaa rajoittava vastus

Pudotetun alueen esteen poistamiseksi pudotetun jännitteen määrä. LED-jännitteen pudotus vaihtelee välillä 2 V - 3 V, kun taas Si- tai Ge-diodi on 0,3, muuten 0,7 V.

Täten LEDiä voidaan käyttää suurjännitteellä verrattuna Si- tai Ge-diodeihin.
Valoa lähettävät diodit kuluttavat enemmän energiaa kuin pii- tai germaaniumdiodit.

Valodiodien tyypit

Siellä on erityyppiset valodiodit ja osa niistä mainitaan jäljempänä.

  • Galliumarsenidi (GaAs) - infrapuna
  • Galliumarsenidifosfidi (GaAsP) - punaisesta infrapunaan, oranssi
  • Alumiinigalliumarsenidifosfidi (AlGaAsP) - kirkkaan punainen, oranssinpunainen, oranssi ja keltainen
  • Galliumfosfidi (GaP) - punainen, keltainen ja vihreä
  • Alumiinigalliumfosfidi (AlGaP) - vihreä
  • Galliumnitridi (GaN) - vihreä, smaragdinvihreä
  • Galliumindiumnitridi (GaInN) - melkein ultravioletti, sinivihreä ja sininen
  • Piikarbidi (SiC) - sininen substraattina
  • Sinkkiselenidi (ZnSe) - sininen
  • Alumiinigalliumnitridi (AlGaN) - ultravioletti

LED-toimintaperiaate

Valoa lähettävän diodin toimintaperiaate perustuu kvanttiteoriaan. Kvanttiteoria sanoo, että kun elektroni laskeutuu korkeammalta energiatasolta alempaan energiatasoon sitten, energia lähtee fotonista. Fotonienergia on yhtä suuri kuin näiden kahden energiatason välinen energiakuilu. Jos PN-liitosdiodi on eteenpäin esijännitetty, virta kulkee diodin läpi.

LED-toimintaperiaate

LED-toimintaperiaate

Virran virtaus puolijohteissa johtuu reikien virtauksesta virran vastakkaiseen suuntaan ja elektronien virtaukseen virran suuntaan. Siksi tapahtuu rekombinaatio näiden varauksen kantajien virtauksen vuoksi.

Rekombinaatio osoittaa, että johtokanavan elektronit hyppäävät alas valenssikaistalle. Kun elektronit hyppäävät yhdestä kaistasta toiseen, elektronit lähettävät sähkömagneettista energiaa fotonien muodossa ja fotonienergia on yhtä suuri kuin kielletty energiarao.

Tarkastellaan esimerkiksi kvanttiteoriaa, että fotonin energia on sekä Planckin vakion että sähkömagneettisen säteilyn tulo. Matemaattinen yhtälö on esitetty

Eq = hf

Missä hänen tunnetaan Planckin vakiona, ja sähkömagneettisen säteilyn nopeus on yhtä suuri kuin valon nopeus, ts. Taajuussäteily liittyy valon nopeuteen f = c / λ. λ on merkitty sähkömagneettisen säteilyn aallonpituudeksi ja yllä olevasta yhtälöstä tulee a

Eq = he / λ

Edellä olevasta yhtälöstä voidaan sanoa, että sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus on kääntäen verrannollinen kiellettyyn rakoon. Yleensä pii, germanium-puolijohteet, tämä kielletty energiavaje on tilan ja valenssikaistojen välillä, niin että rekombinaation aikana sähkömagneettisen aallon kokonaissäteily on infrapunasäteilyä. Emme näe infrapunan aallonpituutta, koska ne ovat näkyvällä alueella.

Infrapunasäteilyn sanotaan olevan lämpöä, koska pii- ja germaaniumpuolijohteet eivät ole suoria aukkopuolijohteita, vaan pikemminkin epäsuoria aukkopuolijohteita. Mutta suorissa aukkopuolijohteissa valenssikaistan enimmäistason energiataso ja johtavuuskaistan pienin energiataso eivät tapahdu samassa elektronien hetkellä. Siksi elektronien ja reikien rekombinaation aikana elektronien kulkeutuminen johtumisalueelta valenssikaistalle elektronikaistan vauhti muuttuu.

Valkoiset LEDit

LEDien valmistus voidaan tehdä kahdella tekniikalla. Ensimmäisessä tekniikassa LED-sirut, kuten punainen, vihreä ja sininen, yhdistetään samanlaiseen pakettiin valkoisen valon tuottamiseksi, kun taas toisessa tekniikassa käytetään fosforesenssiä. Fosforin fluoresenssi voidaan tiivistää ympäröivän epoksin sisällä, jolloin LED aktivoituu lyhyen aallonpituuden energian avulla InGaN LED -laitteella.

Eriväriset valot, kuten sininen, vihreä ja punainen valo, yhdistetään vaihtuvina määrinä tuottamaan erilainen värien tunne, joka tunnetaan ensisijaisina lisäaineina. Nämä kolme valovoimaa lisätään yhtä paljon valkoisen valon tuottamiseksi.

Mutta tämän yhdistelmän saavuttamiseksi vihreän, sinisen ja punaisen LED-valon yhdistelmällä, joka tarvitsee monimutkaisen sähköoptisen suunnittelun eri värien yhdistelmän ja diffuusion hallitsemiseksi. Lisäksi tämä lähestymistapa voi olla monimutkainen LED-värin muutosten vuoksi.

Valkoisen LED-tuotelinja riippuu pääasiassa yhdestä LED-sirusta, joka käyttää fosforipinnoitetta. Tämä pinnoite tuottaa valkoista valoa, kun se on osunut ultraviolettien muuten sinisten fotonien läpi. Samaa periaatetta sovelletaan myös loistelampuihin. Putken sisällä olevan sähköpurkauksen ultraviolettisäteily saa fosforin vilkkumaan valkoisena.

Vaikka tämä LED-prosessi voi tuottaa erilaisia ​​sävyjä, eroja voidaan hallita seulomalla. Valkoiset LED-pohjaiset laitteet seulotaan käyttämällä neljää tarkkaa värikoordinaattia, jotka ovat CIE-kaavion keskustan vieressä.

CIE-kaavio kuvaa kaikki saavutettavat värikoordinaatit hevosenkengäkäyrässä. Puhtaat värit ovat kaaren päällä, mutta valkoinen kärki on keskellä. Valkoinen LED-ulostuloväri voidaan esittää neljän pisteen kautta, jotka on esitetty kaavion keskellä. Vaikka neljä kuvaajan koordinaattia ovat lähellä puhdasta valkoista, nämä ledit eivät yleensä ole tehokkaita kuten tavallinen valonlähde värillisten linssien sytyttämiseen.

Nämä ledit ovat pääasiassa hyödyllisiä valkoisille muuten kirkkaille linsseille, taustavalo läpinäkymätön Kun tämä tekniikka jatkuu, valkoiset LEDit saavat varmasti maineen valonlähteenä ja osoittimena.

Valotehokkuus

LEDien valotehokkuus voidaan määritellä tuotetuksi valovirraksi yksikköinä yksikköinä kullekin yksikölle ja sähkötehoa voidaan käyttää W: n sisällä. Sinisen värillisen LEDin sisäinen tehokkuuden järjestys on 75 lm / W oranssissa LED-valossa on 500 lm / W & punainen LEDeillä on 155 lm / W. Sisäisen uudelleenabsorption takia häviöt voidaan ottaa huomioon vihreiden ja keltaisten LEDien valotehokkuuden järjestyksessä 20-25 lm / W. Tämä tehokkuuden määrittely tunnetaan myös ulkoisena tehokkuudella ja on analoginen tehokkuuden määritelmän kanssa, jota normaalisti käytetään muun tyyppisille valonlähteille, kuten monivärisille LEDeille.

Monivärinen valoa lähettävä diodi

Valodiodi, joka tuottaa yhden värin, kun ne ovat kytkeytyneet eteenpäin ja tuottavat värin, kun ne ovat kytkeytyneet päinvastaisessa esijännityksessä, tunnetaan monivärisenä LED: nä.

Itse asiassa näissä LEDeissä on kaksi PN-liitäntää ja tämän kytkeminen voidaan tehdä rinnakkain toisen katodiin liitetyn anodin kanssa.

Moniväriset LEDit ovat yleensä punaisia, kun ne ovat esijännittyneet yhteen suuntaan, ja vihreät, kun ne ovat esijännittyneet toiseen suuntaan. Jos tämä LED-valo syttyy erittäin nopeasti kahden napaisuuden välillä, tämä LED tuottaa kolmannen värin. Vihreä tai punainen LED tuottaa keltaisen värivalon, kun se on nopeasti kytketty taaksepäin ja eteenpäin esijännitettävien napaisuuksien kesken.

Mikä on ero diodin ja LEDin välillä?

Diodin ja LEDin tärkein ero sisältää seuraavat.

Diodi

LED

Puolijohdelaite, kuten diodi, johtaa yksinkertaisesti yhteen suuntaan.LED on yksi diodityyppi, jota käytetään valon tuottamiseen.
Diodin suunnittelu voidaan tehdä puolijohdemateriaalilla ja elektronien virtaus tässä materiaalissa voi antaa heidän energialleen lämpömuodon.LED on suunniteltu galliumfosfidilla ja galliumarsenidillä, joiden elektronit voivat tuottaa valoa samalla kun ne välittävät energiaa.

Diodi muuttaa vaihtovirran tasavirraksiLED muuttaa jännitteen valoksi
Sillä on korkea käänteinen hajoamisjänniteSillä on matala taaksepäin oleva rikkoutumisjännite.
Diodin päällä oleva jännite on 0,7 V piille, kun taas germaniumille se on 0,3 VLED-valon jännite vaihtelee välillä 1,2 - 2,0 V.
Diodia käytetään jännitteen tasasuuntaajissa, leikkaus- ja kiinnityspiireissä, jännitekertoimissa.

LEDien sovelluksia ovat liikennesignaalit, autojen ajovalot, lääkinnällisissä laitteissa, kameran salamat jne.

I-V LEDien ominaisuudet

Markkinoilla on erityyppisiä valodiodeja, ja LED-ominaisuuksia on erilaisia, mukaan lukien värivalo tai aallonpituussäteily, valon voimakkuus. LEDin tärkeä ominaisuus on väri. LED-valoa aloitettaessa on ainoa punainen väri. Kun LED: n käyttöä lisätään puolijohdeprosessin avulla ja tutkimalla ledien uusia metalleja, eri värit muodostuivat.

I-V LEDien ominaisuudet

I-V LEDien ominaisuudet

Seuraava kaavio näyttää likimääräiset käyrät lähtöjännitteen ja virran välillä. Kukin käyrä kuvaajassa osoittaa eri väriä. Taulukossa on yhteenveto LED-ominaisuuksista.

LED: n ominaisuudet

LED: n ominaisuudet

Mitkä ovat kahden tyyppiset LED-kokoonpanot?

LED: n vakiokonfiguraatiot ovat kaksi samanlaista kuin emitterit ja COB: t

Emitteri on yksi muotti, joka on asennettu kohti piirilevyä ja sitten jäähdytyselementtiin. Tämä piirilevy antaa sähkövirtaa emitteriä kohti samalla kun se kuluttaa lämpöä.

Kustannusten alentamisen ja valon yhtenäisyyden parantamiseksi tutkijat päättivät, että LED-substraatti voidaan irrottaa ja yksittäinen suulake voidaan kiinnittää avoimesti piirilevyyn. Joten tätä mallia kutsutaan COB: ksi (siru aluksella).

LEDien edut ja haitat

valodiodin edut Sisällytä seuraavat.

  • LEDien hinta on pienempi ja ne ovat pieniä.
  • LEDiä käyttämällä sähköä ohjataan.
  • LED-valon voimakkuus vaihtelee mikrokontrollerin avulla.
  • Pitkä käyttöikä
  • Energiatehokas
  • Ei lämmittelyjaksoa
  • Karu
  • Ei vaikuta kylmiin lämpötiloihin
  • Suunnattu
  • Värintoisto on erinomaista
  • Ympäristöystävällinen
  • Ohjattava

valoa lähettävän diodin haitat Sisällytä seuraavat.

  • Hinta
  • Lämpötilaherkkyys
  • Lämpötilariippuvuus
  • Valon laatu
  • Sähköinen napaisuus
  • Jänniteherkkyys
  • Tehokkuus heikkenee
  • Vaikutus hyönteisiin

Valoa lähettävän diodin sovellukset

LEDiä on monia sovelluksia, ja joitain niistä selitetään alla.

  • LEDiä käytetään polttimoina kodeissa ja teollisuudessa
  • Valodiodeja käytetään moottoripyörissä ja autoissa
  • Näitä käytetään matkapuhelimissa viestin näyttämiseen
  • Liikennevalosignaaleilla käytetään ledejä

Siten tässä artikkelissa käsitellään yleiskatsaus valodiodiin piirin toimintaperiaate ja sovellus. Toivon, että lukemalla tämän artikkelin olet saanut joitain perustietoja ja tietoa valoa lähettävästä diodista. Jos sinulla on kysyttävää tästä artikkelista tai viimeisen vuoden sähköprojektista, voit kommentoida alla olevassa osassa. Tässä on kysymys sinulle, Mikä on LED ja miten se toimii?